Тем не менее, за этот относительно короткий промежуток времени – от 400 до 600 поколений мышей – популяции на Восточном и Западном побережьях изменили размер своего тела и поведение при строительстве гнезд почти одинаковыми способами, чтобы адаптироваться к аналогичным условиям окружающей среды, согласно новому исследованию биологов. в Калифорнийском университете в Беркли.
Чтобы осуществить такую адаптацию – по крайней мере, в случае размера тела – мыши на западе США эволюционировали во многие из тех же генетических изменений, что и их кузены на Востоке, показывая, что эволюция часто воздействует на одни и те же гены в разных популяциях, когда они население сталкивается с аналогичными условиями окружающей среды.
Это исследование представляет собой один из первых случаев, когда ученые отследили генетические изменения, лежащие в основе сложного адаптивного признака у млекопитающих, хотя аналогичные исследования были проведены с лабораторными насекомыми, такими как дрозофилы, и рыбами.
«Главный вывод из этой статьи состоит в том, что существует некоторая предсказуемость эволюции как на уровне организма, так и на генетическом уровне», – сказал руководитель исследования Майкл Нахман, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли и директор Музея естествознания в кампусе. Зоология позвоночных. "Мы показали, что одни и те же гены были задействованы независимо в двух разных областях за очень короткое время эволюции.
Это хороший пример быстрого эволюционного изменения за короткое время сложной адаптивной черты."
Полученные данные также имеют значение для млекопитающих, помимо грызунов-вредителей.
«Мыши, которые мы изучаем, также являются разумной моделью для размышлений об эволюции человека, поскольку люди жили в Америке примерно столько же поколений, сколько и домашние мыши», – сказал Нахман. «Мы обнаружили гены, влияющие на размер тела мыши, которые ранее были вовлечены в метаболизм и такие вещи, как ожирение у людей, поэтому есть параллели между людьми и мышами."
Нахман и его коллеги смогли доказать, что эти черты имеют генетическую причину – они возникли в результате природы, а не воспитания – путем выращивания мышей из разных сред в лаборатории в одних и тех же условиях окружающей среды. Домашние мыши из Нью-Йорка и Альберты, Канада, всегда производили более крупные гнезда, чем мыши из Флориды и Аризоны, даже когда гнездились при одинаковой температуре, в то время как северные мыши всегда были больше, чем южные мыши, несмотря на то, что их выращивали в аналогичных условиях.
«Мы и многие другие люди изучали естественные популяции в течение долгого времени, и вы можете задокументировать различия между естественными популяциями», – сказал он. «Но в данном случае мы пошли еще дальше и взяли этих животных в лабораторию и выращивали их в течение нескольких поколений, чтобы мы могли спросить, связаны ли различия, которые мы видим в природе, с окружающей средой или с генетикой. Комбинируя животных в дикой природе и животных в лаборатории, мы можем выявить генетический компонент в тех чертах, которые мы изучаем."
Исследование появилось сегодня в журнале PLOS Genetics.
Канадские мыши против.
Мыши Аризоны
Нахман и его команда изучали домовых мышей в Северной и Южной Америке в течение нескольких лет, чтобы определить, как они адаптировались к разным условиям – физиологически и генетически – с момента прибытия в качестве безбилетных пассажиров на борт кораблей из Европы. Его цель состояла в том, чтобы связать изменения в физиологии и инстинктивном поведении с изменениями в конкретных генах, чтобы понять, как несколько генов взаимодействуют, создавая изменения в сложных адаптациях.
На сегодняшний день большинство исследований, связывающих генетические изменения – генотип – с физиологическими изменениями – фенотипом – включают относительно простые характеристики, такие как изменение цвета шерсти в зависимости от окружающей среды или развитие устойчивости к инсектицидам.
Домовые мыши – Mus musculus domesticus, предок всех используемых сегодня лабораторных мышей – казались хорошим объектом, поскольку они существуют в самых разных средах обитания по всей Америке, в том числе в Андах на высоте более 4000 метров (13000 футов). За прошедшие годы Нахман и его коллеги собрали сотни отдельных мышей от Огненной Земли на окраине Южной Америки до юга Канады и северной части штата Нью-Йорк, а также с разных возвышенностей в Эквадоре и Боливии, и секвенировали все гены в их геномах.
Нахман сказал, что он не мог не заметить, что в дикой природе северные мыши – из Эдмонтона, Альберты и Саратога-Спрингс, Нью-Йорк, – обычно были крупнее южных мышей из Тусона, Аризона, и Гейнсвилла, Флорида, хотя это не всегда было ясно, учитывая, что мыши различались по возрасту, питанию и состоянию здоровья.
Большой размер тела – это хорошо известная адаптация к более холодной погоде, названная правилом Бергманна в честь немецкого биолога 19 века Карла Бергманна.
«Мыши из 45 градусов северной широты примерно на 50% больше, чем мыши из экватора», – сказал Нахман. "Мышь с экватора весит около 12 граммов; мышь из северной части штата Нью-Йорк – около 18 граммов.
Это большая разница. Если бы мы говорили о людях, это было бы в среднем 100 фунтов против 150 фунтов человека."
Северные мыши также строят более крупные гнезда: примерно в два раза больше, чем южные.
Чтобы определить генетические отношения между этими популяциями мышей, его команда собрала 10 мышей из 5 разных участков на западе, примерно на одинаковом расстоянии от Тусона до Эдмонтона, секвенировала их гены и сравнила их с генами мышей, собранных его командой ранее на Востоке. Побережье от Гейнсвилля до Саратога-Спрингс. Он обнаружил, что, хотя северо-восточные и северо-западные мыши развили более крупные тела и построили более крупные гнезда, они не были тесно связаны между собой.
Мыши New York были более близки к другим мышам Восточной Европы, чем к мышам Alberta, в то время как мыши Alberta были более близки к другим западным мышам, чем к мышам New York.
Если восточные и западные мыши представляют собой две разные популяции, которые независимо адаптировались к холодной погоде с использованием одной и той же стратегии – большего размера и более крупных гнезд, – изменились ли их гены??
Чтобы выяснить это, он и его коллеги основали лабораторные колонии с 41 особью мышей из крайних районов, где были взяты образцы: Эдмонтона (EDM) на севере и Тусона (TUC) на юге.
Выращивая их в идентичных домашних условиях, северные мыши на протяжении пяти поколений сохранили свой больший размер тела и более крупное поведение при строительстве гнезда, показывая, что поведенческие и физиологические изменения фактически были закодированы в их генетике. Три года назад Нахман провел аналогичные эксперименты с мышами из Саратога-Спрингс (ЮАР) и Гейнсвилля (ГАИ) и нашел аналогичные результаты в этих восточных популяциях.
«Поместив их в общую лабораторную среду и поддерживая там при комфортной комнатной температуре в течение нескольких поколений, мы можем сделать вывод, что любые различия, которые мы видим, имеют генетическую основу», – сказал он.
Затем они провели общегеномное ассоциативное исследование, чтобы определить, какой вариант или аллель каждого гена в геноме изменял частоту вместе с изменением массы тела. Они все еще отслеживают генетические причины строительства гнезд.
Нахождение генетической основы правила Бергмана
Исследователи идентифицировали восемь мутаций в пяти генах, связанных с увеличением размера тела у мышей Эдмонтона.
«Мы обнаружили, что из всех тех генов, которые мы определили для размера тела, четыре из пяти генов демонстрируют явные признаки естественного отбора как на Востоке, так и на Западе», – сказал он. "Это говорит о том, что мы обнаружили некоторые гены, которые вносят свой вклад в эту закономерность, известную как правило Бергмана, которое на самом деле является одним из наиболее распространенных географических закономерностей в эволюции теплокровных животных.
В этом исследовании мы начинаем изучать его генетическую основу."
Объединив эти данные с результатами предыдущего исследования домашних мышей, проведенного Нахманом в Нью-Йорке и Флориде, исследователи обнаружили в общей сложности 16 генов, которые показали параллельную эволюцию вдоль градиента север-юг на обоих побережьях, многие из которых участвуют в регулировании температуры тела.
Например, ген Trpm2, который заставляет мышей избегать очень высоких температур, показал генетические изменения в южных популяциях.
В то время как мыши на Востоке и Западе демонстрировали доказательства независимой эволюции многих из одних и тех же генов, каждый регион также обладал генетической адаптацией, не наблюдаемой в другом регионе.
На Западе, например, цвет шерсти варьировался в зависимости от цвета почвы: северные мыши были более темного оттенка, что соответствовало попыткам слиться с более влажной и темной почвой. Восточные мыши не показали такой вариации.
Нахман продолжает изучать изменчивость домашних мышей и надеется в конечном итоге использовать редактирование генома CRISPR для изменения генов в популяциях своих мышей, чтобы подтвердить их участие в таких характеристиках, как размер тела.
«Мы хотели бы отредактировать некоторые из этих генов и посмотреть, сможем ли мы взять мышь из Канады и превратить ее в мышь, похожую на мышь Tucson, или наоборот», – сказал он.
Работа финансировалась Национальным институтом здоровья (RO1 GM074245, R01 GM127468).
NIH и Лаборатория Джексона также поддерживают разработку Нахманом новых линий домашних мышей – SAR, GAI, EDM, TUC и пятой линии, MAN, из Манауса, Бразилия, – которые исследователи могут использовать вместо инбредных лабораторных мышей. самый популярный штамм называется C57BL / 6 – если они хотят большего генетического разнообразия в своих исследованиях на мышах.